2020 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of the pharmacophore model of antiprion compounds for development of a novel therapeutic agent
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20H04285
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
石川 岳志 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (80505909)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石橋 大輔 福岡大学, 薬学部, 教授 (10432973)
水田 賢志 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(医学系), 助教 (50717618)
鎌足 雄司 岐阜大学, 高等研究院, 助教 (70342772)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プリオン病 / ドッキング計算 / 分子動力学計算 / ファーマコフォアモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
プリオン病は、正常型プリオンタンパク質が異常型へと構造変換することで発症する致死性の神経変性疾患である。申請者らはこれまで、複数の抗プリオン効果を有する化合物を発見してきたが、最終的にはそれらの誘導体も含めて、十分な治療効果を確認するに至らなかった。しかし、これらの化合物は、作用機序が明らかとなっている貴重な抗プリオン化合物である。そこで本研究では、独自のインシリコ技術を用いて、この作用機序における「ファーマコフォアモデル」を決定し、より効果の高い新たな抗プリオン化合物の開発を目指す。
2020年度はプリオンタンパク質との結合親和性と抗プリオン活性が実験的に確認されている化合物群に対して、複数の条件でドッキング計算を実行し、抗プリオン活性を有する化合物に特徴的なドッキング構造を見出すことを試みた。その結果、明確な特徴を見いだすことはできなかったが、ドッキング構造が「ホットスポット」と呼ばれる位置に近い化合物ほど、抗プリオン活性を有する傾向にあることがわかった。
しかし本研究の目的である「ファーマコフォアモデル」の構築のためには、抗プリオン活性と計算で得られる結合構造の間に、より明確な関連性を見出す必要がある。上の計算における問題点の一つとして、ドッキング計算ではタンパク質の構造変化を考慮していないことが挙げられる。そこで我々は、分子動力学（MD）計算に基づいたドッキング計算法を検討した。具体的には、タンパク質から離れた様々な位置に化合物を配置し、この状態から短いMD計算を実行することで、タンパク質の構造変化を考慮しつつ複数の結合構造を得ることを試みた。このようにして得られた結合構造と抗プリオン活性の関連性を見出すことで目的のファーマコフォアモデルを構築できる可能性がある。2020～2021年度にかけて、このようなMD計算に基づくドッキング計算を行うためのプログラムを作成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、正常型プリオンタンパク質との結合親和性が測定されている化合物、および抗プリオン活性が測定されている化合物に関して、ドッキング計算を実行することが最初のステップとなる。2020年度は、表面プラズモン共鳴(SPR)法によって結合親和性が測定されている96種の化合物（NPR01～96）に対してドッキング計算を実行した。またこれらの化合物は、プリオン持続感染細胞を用いたアッセイにより、抗プリオン効果の測定もなされている。従って、当初の予定通り、ドッキング計算の結果と結合親和性との相関、および抗プリオン効果との相関を別個に調べることができた。その結果、単純に結合エネルギー（ドッキングスコア）だけを用いるよりも、「ホットスポット」と呼ばれる位置に近く結合しているか否かの情報を含めた方が、高い相関を示すことも分かった。このようなデータは、本研究の目的であるファーマコフォアモデルの構築に必須のものであり、研究計画が順調に進展していることを示している。
一方で、予想していたよりも低い相関しか得られなかったため、より高い相関を得るための別の計算の必要性も露呈された。そこで我々は、分子動力学（MD）計算に基づく新たなドッキング法を検討した。この方法は、タンパク質から離れた位置に低分子を配置し、短いMD計算を繰り返し実行するものだが、2021年度はこの計算を実現するプログラムを開発し検証を進めてきた。このような新たな方法の検討は、当初の研究計画には無かったものであるが、必要に応じて柔軟に研究計画を修正していることを示すものであるといえる。
以上の理由から、本研究は「おおむね順調に進展している」と自己評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、臨床試験への移行に足る、高い抗プリオン活性を有する新たな治療薬候補の発見を目的としている。そのために、抗プリオン効果を生み出すより本質的なファーマコフォアモデルを決定し、論理的根拠に基づいて化合物を設計する。また、計算科学・構造生物学・有機合成・生物アッセイといった創薬に必須の専門家から構成される研究チームで、このようなモデルを効率的に決定するための方法論の確立を目指す。
2020年度の研究において、複数の条件によるドッキング計算の結果と、実験的に測定された結合親和性および抗プリオン活性との間に、部分的な相関があることは確認されたが、治療薬開発の効率を改善できるほどの明確な相関は得られなかった。ドッキング計算では、化合物の構造変化のみを考慮し、タンパク質の構造変化は考慮しないが、それが計算と実験の間に明確な相関が見いだせなかった理由の一つであると考えられる。そこで2021年度は分子動力学計算に基づいた、タンパク質の構造変化を考慮できるドッキング法を新たに考案した。2022年度は、考案した方法における適切な計算条件を決定する（石川）。具体的には、分子動力学計算におけるトラジェクトリーの長さ、設定温度、計算に取り入れる溶媒分子の量などを変えて計算を実行し、実験結果とより明確な相関が得られる条件を探索する。さらに、結合親和性や抗プリオン活性が実験的に確認されている化合物群に対し、考案したドッキング法を適用し、抗プリオン活性を生み出すファーマコフォアモデルの構築を試みる（石川）。また、このような計算結果を分担研究者である構造生物学の専門家（鎌足）、有機合成の専門家（水田）、生物アッセイの専門家（石橋）と共有し、実験的な側面からも検証を行い、新規化合物の設計の可能性を議論する。
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